能听会说的“机器人”——探秘智能语音技术的教学设计

张曼 山东省德州市第一中学

智能语音技术是人工智能领域的分支，它使得机器设备成为能听会说的“机器人”，给人们带来友好的交互体验。那么，生活中有哪些智能语音技术应用？它的工作原理是怎样的？笔者结合自己的研究与感悟，设计了“能听会说的机器人”学习项目，以生活中常见的智能语音技术应用，向学生“展智能”“析原理”“悟创新”“辨发展”。

●教学内容分析

人工智能模块的教学要求通过分析典型的人工智能应用场景，向学生展示人工智能涉及的技术基础，让学生在实际应用的体验中感受它带来的社会变化和机遇挑战。[1]本课依据此项内容要求，引导学生在体验、应用智能语音技术的过程中，剖析、感受技术带来的便捷，了解语音识别技术和语音合成技术的应用场景、基本原理、社会影响及应用安全。

●学业要求分析

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》对人工智能模块的学业要求包含认识和理解两个层次。笔者将本课学业的要求分解为“体验中发现问题→学习中理解知识→应用中创新技术→思辨中升华认知”，这是一个螺旋上升的循环。学生通过学习突破一个闭环之后上升到下一个闭环，通过不断提升认知达到学业要求。

●学习对象分析

九年级的学生已掌握互联网、物联网、数据编码、算法等知识，为理解智能语音技术的工作原理及应用实现提供了认知基础。同时，这个学段的学生具有较强的创新意识和探索精神，有助于引导其积极主动地建构新知。

●核心素养目标

信息科技要培养的学科核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。核心素养导向的学习目标强调通过体验、认识、内化、应用等过程逐步形成相对稳定的思维方法。[2]笔者结合学情制订了本节课指向核心素养的学习目标，如下页表所示。

核心素养指向学习目标信息意识：了解人工智能对信息社会发展的作用，具有主动解决问题、掌握核心技术的意识计算思维：通过案例分析理解人工智能，能在一定情境中对实际问题进行分解、抽象，归纳解决问题的基本步聚数字化学习与创新：用软件感知、硬件呈现、软硬件结合实现等多种工具方法探究人工智能技术信息社会责任：认识到人工智能为社会生活带来的影响，合理使用人工智能技术，正确认识人工智能技术对伦理和安全的挑战1.通过体验智能音箱的“听歌识曲”、语音交互功能，感知生活中智能语音技术的应用，认识智能语音技术的概念和工作过程、应用场景2.通过“听话的智能小车”活动，了解语音识别技术的工作原理3.通过“导航语音包的制作”活动，分析导航语音包的实现原理，归纳总结语音合成的工作原理4.通过“正、反”两面的案例分析，了解人工智能的发展为社会带来的影响，学会合理地使用人工智能技术，防范AI诈骗

●教学重难点

重点：语音识别技术、语音合成技术的工作原理。

难点：智能语音控制小车程序的调试。

●教学策略

为达成核心素养指向的学习目标，笔者采取“从生活经验走向技术原理”的教学策略创设真实问题情境。使用软件感知、硬件呈现、软硬件结合实现等多种工具方法开展项目教学。教师充分发挥引导作用，提供半成品程序、微视频等脚手架资源辅助学生完成项目活动。

●教学准备

多媒体网络教室、智能音箱（含“听歌识曲”功能）、智能小车、语音控制小车程序、模块化编程软件、微视频、智能手机（智能地图APP）、导学案等。

●教学过程

1.智能的音箱 体验语音交互

问题情境：老师研学途中听到这首歌曲（播放音乐），想下载却不知道名字。你知道如何查找这首歌曲的名字吗？基于经验和认知，多数学生想到了“听歌识曲”软件。教师请一位学生哼唱，另一位学生使用智能音箱“听歌识曲”功能查找歌曲名字。

引出课题：智能音箱是一个能听会说的“机器人”，通过与它的交流互动，学生解答了疑惑，感受到人工智能带来的便利。今天我们要认识的“机器人”除了智能音箱，还包括服务于生活各领域的智能语音技术应用。

设计意图：借助“人机交互”烘托课堂气氛，激发学习兴趣，进而导入新课。

2.生活化案例 认识智能语音

问题情境：老师想总结一下生活中的智能语音技术应用，以备不时之需。

活动1：请根据案例提示，借助搜索引擎等工具手段，列举智能语音技术应用，填写“生活中的智能语音技术应用表”。

活动小结：智能语音技术在智慧交通、智慧家居、智能客服等多个领域中的应用趋于成熟，包含语音识别技术和语音合成技术。在人工智能与物联网融合的大生态环境中，语音识别技术将语音转为文本信息再进行自然语言处理，让各类物联网终端设备能“听”懂，语音合成技术将文本信息转为语音信息，使得设备会“说”话，这两项技术配合工作给人们带来友好的交互体验。智能语音技术的工作流程如图1所示。

图1

设计意图：创设“案例总结”的情境，引导学生采用头脑风暴、分析归纳的方法，从技术应用的角度出发，探寻技术产生的原因，培养学生借助数字化学习工具辅助学习的良好习惯。

3.听话的小车 探究语音识别

问题情境：在拥挤的停车场地，老师总是不知道如何把车开出来。某智能汽车“听”到你对它说“把车开出来”时，就会自动向前驶出一米。那么，智能汽车是怎么实现语音控制驾驶的？

活动2：当智能小车听到语音指令“向前进”时开始向前行驶。①请你修改程序实现：添加多条语音指令，控制智能小车向其他方向运行。②观察程序代码，指出语音控制驾驶用到的主要技术。③结合案例尝试描述该项技术的工作原理。

活动小结：智能小车“听”不懂自然语言，但它能借助语音识别技术将语音转译成文本进行理解。转换采用的是模板匹配法：语料库模板中存储着每个字或词的音频，将输入的语音与语料库中的声音进行对比，找出相似度高的声音并输出对应文本信息，以确定驾驶员的意图。语音识别包含语音处理、信号表征、模式识别、文本输出四个步骤，如图2所示。

图2

设计意图：创设“语音驾驶”的情境，采用软硬件结合的形式实现了听话的“机器人”，帮助学生认识到人工智能与物联网相辅相成、融合落地的过程。通过“观察、修改代码”启发学生分析小车“听”话的原理。

4.个性化导航 揭秘语音合成

问题情境：智能地图软件提供的明星播报导航功能，为老师营造了轻松愉悦的旅途环境，这些道路指引与安全提示是明星一句一句录制的吗？

活动3：①参照“导航包制作”微视频录制自己的语音导航包。②思考录制的语句有什么特点？③结合案例尝试描述语音合成技术的工作原理。

活动小结：人工智能产品越来越注重用户的个性化体验，个性化语音导航借助语音合成技术实现了“开口说话”。软件要求录制汉语中的21个声母、37个韵母、5个声调的组合，再把每个字的语音串成一句话进行播报。语音合成技术包含语言处理、韵律处理、单元拼接、语音输出等步骤，如图3所示。

图3

设计意图：学生通过软件感知的形式，体验导航包的制作过程，并从中分析归纳“机器人说话”的原理，突出教学重点。

5.防语音诈骗 思辨技术发展

问题情境：老师接到了同事电话，说自己急需一笔医药费。我非常警惕地找到同事才明白这是一个骗局。骗子是如何模仿同事的声音实施诈骗的？

活动4：请你结合所学知识分析语音诈骗的过程，并谈谈你对这件事的看法。

活动小结：技术都有两面性，声音复刻技术也是如此，引出电信诈骗、伦理危机等一系列安全问题。

设计意图：创设“语音诈骗”情境，引导学生剖析案例，思辨、理性地看待人工智能给社会生活带来的影响，增强信息判断意识和社会责任感。

●教学反思与总结

如何系统地向学生展示智能语音技术及其背后的原理，达成核心素养导向的学习目标是本项目设计考虑的核心。笔者主要从以下几方面着手：

①创设情境指向信息意识培养。项目创设三个情境统领四个活动，引导学生在生活中发现问题，培养学生主动发现问题、用信息科技解决问题的信息意识。

②问题导向直击计算思维培养。项目以语音助手、智能音箱、智能小车、个性化导航、AI有声书等“能听会说的机器人”为例，构造了一幅智能语音机器人地图。学生可探寻每个“机器人”是为解决什么问题而生，是如何解决问题的，并思辨它带来的社会影响。学生在活动中解决问题，对本模块内容有了系统的认识，形成了运用计算思维解决问题的核心能力。

③工具策略渗透数字化学习与创新能力培养。项目使用“听歌识曲”软件体验AI、借助“智能音箱”硬件呈现AI、利用“智能小车+编程软件”即软硬件结合实现AI等工具方法策略展开活动，达成了培养学生借助数字化学习工具学习的核心素养目标。

在教学设计中，笔者重构知识，创设情境，罗列案例，宏观地、系统地呈现了智能语音技术范畴的概念、原理，希望能更好地引导学生实现核心素养导向的学习目标。